- •Глава 1. Методы очистки сточных вод.
- •Глава 2. Процессы и аппараты механической очистки сточных вод.
- •3.3. Экстракционные аппараты и установки.
- •Глава 1. Методы очистки сточных вод.
- •1.1. Источники загрязнения гидросферы.
- •1.4. Методы и способы очистки сточных вод от примесей.
- •Глава 2. Процессы и аппараты механической очистки сточных вод
- •2.1. Сооружения первичной обработки сточных вод.
- •2.1.1. Усреднители.
- •2.1.2. Решетки.
- •Полезная длина стержней решетки составит
- •2.2. Аппараты для осаждения примесей из сточных вод.
- •2.2.1. Песколовки.
- •2.2.2. Отстойники.
- •Тогда объем осадка
- •2.2.3. Гидроциклоны.
- •2.2.4. Центрифуги.
- •Устанавливаем две центрифуги типа ногш-600.
- •2.2.5. Жидкостные сепараторы.
- •2.3. Фильтрационные установки.
- •2.3.1. Барабанные сетки и микрофильтры.
- •Продолжительность фильтроцикла, с . . . . . . . . . . . 9
- •Глава 3. Установки и аппараты для физико-химической очистки сточных вод
- •3.1. Установки для коагулирования и флокулирования примесей сточных вод.
- •Суммарное количество осадка, поступающего в уплотнитель
- •3.2. Флотационные установки.
- •3.3. Экстракционные аппараты и установки.
- •Определяем высоту рабочей части экстрактора
- •3.4. Сорбционные и ионообменные установки.
- •Тогда с учетом потерь расход сточных вод равен
- •Объем рабочей части фильтра (объем загрузки) составляет
- •Плотность частицы набухшего катионита
- •Характеристики ацетатцеллюлозных мембран
- •Глава 4. Аппараты для химической очистки сточных вод
- •4.1. Установки для нейтрализации.
- •Количество реагентов для нейтрализации 100%-х кислот и щелочей
- •Количество реагентов, требуемое для удаления металлов
- •Характеристика озонаторов трубчатого типа
- •Глава 5. Процессы и аппараты для биологической очистки сточных вод
- •5.1.1. Аэротенки.
- •В выражении (5.1) уравнение скорости реакции окисления загрязнений имеет вид
- •5.1.2. Окситенки.
- •Расчет.
- •5.2. Сооружения биологической очистки сточных вод в естественных условиях.
- •Глава 6. Процессы и аппараты для глубокой очистки (доочистки) сточных вод.
- •6.1. Глубокая очистка сточных вод на фильтрах с зернистой и плавающей загрузками.
- •6.2. Удаление растворенных веществ методом сорбции.
- •6.3. Биологическая денитрификация.
- •6.4. Установки для обеззараживания сточных вод.
- •6.5. Устройства для насыщения кислородом очищенных сточных вод.
- •6.5. Схемы сооружений глубокой очистки.
- •Сооружений доочистки:
Глава 5. Процессы и аппараты для биологической очистки сточных вод
Биологическое окисление — широко применяемый на практике метод очистки производственных сточных вод, позволяющий очистить их от многих органических примесей. Процесс этот, по своей сущности, природный, и его характер одинаков для процессов, протекающих в водоеме или очистном сооружении. Биологическое окисление осуществляется сообществом микроорганизмов (биоценозом), включающим множество различных бактерий, простейших и ряд более высокоорганизованных организмов-водорослей, грибов и т. д.
5.1. Сооружения и аппараты для биологической очистки сточных вод
в искусственных условиях.
Всю совокупность сооружений биологической очистки целесообразно разделить на три группы по признаку расположения в них активной биомассы:
1) когда активная биомасса находится в воде в свободном (взвешенном) состоянии;
2) когда активная биомасса закреплена на неподвижном материале, а сточная вода тонким слоем скользит по материалу загрузки;
3) когда сочетаются оба варианта расположения биомассы.
Первую группу сооружений составляют аэротенки, циркуляционные окислительные каналы, окситенки; вторую — биофильтры; третью — погружные биофильтры, биотенки, аэротенки с заполнителями.
В производственных сточных водах встречается до 30 видов бактерий. Эти бактерии усваивают нефть, парафины, нафтены, фенолы и другие соединения.
Самыми важными факторами формирования биоценоза илов очистных сооружений являются состав обрабатываемой воды и величина нагрузки на ил (биопленку). Действие других факторов — температуры, перемешивания, концентрации растворенного кислорода — практически не изменяет качественного состава илов, но влияет на количественное соотношение различных групп микроорганизмов.
Важнейшим свойством активного ила является его способность к оседанию. Свойство оседания описывается величиной илового индекса, представляющего собой объем в мл, занимаемый 1 г ила в его естественном состоянии после 30-минутного отстаивания. Илы с индексом до 120 мл/г оседают хорошо, с индексом 120…150 мл/г — удовлетворительно, а при индексе свыше 150 мл/г — плохо. Плохая оседаемость ила влечет за собой повышенный вынос его с очищенной водой и, следовательно, ухудшение качества их очистки.
5.1.1. Аэротенки.
Аэробная биологическая очистка больших количеств сточных вод обычно осуществляется в аэротенках — емкостных проточных сооружениях со свободно плавающим в объеме обрабатываемой воды активным илом, бионаселение которого использует загрязнения сточных вод для своей жизнедеятельности. Непременным условием эффективности биологических процессов метаболизма в аэротенке является обеспечение их растворенным в воде кислородом, что достигается аэрацией и перемешиванием смеси воды и активного ила пневматическими, механическими или смешанного типа устройствами.
Аэротенки можно классифицировать по следующим основным признакам.
По структуре потока — аэротенки-вытеснители, аэротенки-смесители и аэротенки с рассредоточенным впуском сточной жидкости, аэротенки промежуточного типа (рис. 5.1).
Рис. 5.1. Схемы аэротенков:
а — вытеснители; б — смесители; в — с рассредоточенным впуском воды; г — с неравномерно распределенной подачей жидкости типа АНР;
д — с регенераторами; е — ячеистого типа; I — сточная вода; II — активный ил; III — иловая смесь; 1 — аэротенк; 2 — вторичный отстойник;
3 — регенератор.
По способу регенерации активного ила — аэротенки с отдельно стоящими регенераторами ила, аэротенки, совмещенные с регенераторами.
По нагрузке на активный ил — высоконагружаемые, обычные и низконагружаемые.
По числу ступеней — одно-, двух- и многоступенчатые.
По конструктивным признакам — прямоугольные, круглые, комбинированные, противоточные, шахтные, фильтротенки, флототенки и др.
По типу систем аэрации — с пневматической, механической, комбинированной гидродинамической или пневмомеханической..
Аэротенки могут быть успешно применены для полной или частичной очистки многих видов сточных вод в широком диапазоне концентраций загрязнений и расходов сточных вод.
В аэротенках-вытеснителях, имеющих один — четыре коридора, вода и ил подаются в начало сооружения, а смесь отводится в конце его. Теоретически режим потока в вытеснителях должен быть поршневым без продольного перемешивания. Однако, в коридорных аэротенках существует значительное продольное перемешивание. В большей степени режиму вытеснителя соответствуют конструкции аэротенков ячеистого типа.
Аэротенк ячеистого типа представляет собой прямоугольное в плане сооружение, разделенное на ряд отсеков поперечными перегородками. Смесь из первого отсека переливается во второй (снизу), из, второго — в третий (сверху) и т. д. В каждой ячейке устанавливается режим полного смешения, а сумма ряда последовательно расположенных смесителей составляет практически идеальный вытеснитель.
Сточная вода и ил в аэротенках-смесителях подводятся и отводятся равномерно вдоль длинных сторон сооружения. Принимается, что поступающая смесь очень быстро (в расчетах мгновенно) смешивается с содержимым всего сооружения.
В аэротенках промежуточного типа можно рассредоточенно подать либо воду, либо ил с отводом смеси сосредоточенно в конце аэротенка. На практике применяется первый тип — с рассредоточенной подачей воды.
В аэротенках с разными структурами потока существенно различны и условия развития популяции микроорганизмов. В аэротенках-вытеснителях нагрузка на ил и скорость потребления кислорода максимальны в начале сооружения и минимальны в конце. Если воздух подается равномерно по всей длине аэротенка, то в начале процесса может отмечаться глубокий дефицит кислорода. Условия развития популяции микроорганизмов в этой системе оптимальны только в какой-то средней части сооружения, где имеется соответствие между уровнем питания и наличием растворенного кислорода. Аэротенки-вытеснители плохо справляются с залповыми перегрузками по загрязнениям, в них нельзя, существенно повысить рабочую концентрацию ила.
Нагрузка на ил, скорости процесса изъятия загрязнений и потребление кислорода в аэротенках-смесителях (называемых также аэротенками полного смешения) постоянны во всем объеме сооружения. Ил находится в одной достаточно узкой стадии развития культуры, обусловленной величиной нагрузки на ил. Условия существования культуры близки к оптимальным. Однако качество очищенной воды при прочих равных условиях может оказаться несколько ниже, чем в аэротенках-вытеснителях, поскольку в силу особенностей гидродинамической структуры потока, обусловливающих вероятность попадания части только что поступившей сточной воды в отводную систему, снижается общий эффект очистки. Эта вероятность тем выше, чем ближе конструкция сооружения к идеальному смесителю.
При рассредоточенной подаче жидкости полная нагрузка по загрязнениям достигает максимума к концу сооружения, но степень очистки воды может быть очень высокой, так как по мере продвижения смеси по аэротенку ранее поданные загрязнения успевают срабатываться и к концу аэротенка уровень питания истинный (а не расчетный) может соответствовать состоянию ила с высокой окислительной способностью.
Аэротенк с рассредоточенной подачей воды имеет тот же недостаток, что и аэротенк-вытеснитель: отсутствие оптимальных условий по кислородному режиму в сооружении. Однако общая масса ила в аэротенке с рассредоточенной подачей воды выше, чем в вытеснителе, в связи с чем пропускная способность этого аэротенка также выше.
Нагрузку по сточной воде на единицу длины сооружения qx рассчитывают по формуле
где α — количество возвратного ила, выраженное в долях единицы от расхода воды; Q — общий расход сточных вод, м3/с; l — длина сооружения, м; х — расстояние от начала впуска до заданного сечения, м.
Система аэрации — важнейший элемент любого аэротенка. Эта система состоит из комплекса сооружений и специального оборудования, обеспечивающего снабжение жидкости кислородом, поддержание ила во взвешенном состоянии и постоянное перемешивание сточной воды с илом. Для большинства типов аэротенков система аэрации обеспечивает одновременное выполнение всех этих функций, лишь в окситенке перемешивание механическими мешалками не связано с системой подачи кислорода:
Существуют три системы аэрации: пневматическая, механическая и комбинированная.
Пневматическую систему аэрации, при которой воздух нагнетается в аэротенк под давлением, подразделяют на три типа в зависимости от размера продуцируемого пузырька воздуха: на мелкопузырчатую — с размером пузырька до 4 мм среднепузырчатую — 5…10 мм и крупнопузырчатую — более 10 мм. В качестве распределительного устройства для воздуха в пневматических системах применяют фильтросные пластины и трубы, купола, диски, тканевые аэраторы и др.
При механической системе аэрации в качестве источника кислорода используется непосредственно наружный воздух, вовлекаемый в аэротенк при вращении в нем жидкости мешалкой-аэратором. Механические аэраторы обычно классифицируют по типу расположения оси вращения ротора на горизонтальные и вертикальные. Наибольшее разнообразие видов имеют аэраторы с вертикальной осью вращения. Эти аэраторы могут располагаться либо на поверхности, либо в толще воды (соответственно кавитационная или импеллерная система).
Удельный расход воздуха D, м3/м3, при очистке производственных сточных вод в аэротенках с пневматической системой аэрации определяют так же, как и для бытовых сточных вод. Расчетная формула представляет собой отношение количества кислорода, требующегося для обработки 1 м3 воды, к количеству кислорода, используемого с 1 м3 подаваемого воздуха
,
где z — удельный расход кислорода, мг на 1 мг снятой БПКполн; L и La — БПК соответственно очищенной и поступающей сточной воды; k1 — коэффициент, учитывающий тип аэратора (по размеру пузырька) и для мелкопузырчатых аэраторов являющийся функцией площади, которая занята аэраторами по отношению к общей площади зеркала воды в сооружении; k2 — коэффициент, учитывающий глубину погружения аэратора; п1 — коэффициент, учитывающий температуру сточных вод; n2 — коэффициент качества сточной воды, описывающий изменение величины объемного коэффициента массопередачи в сточной воде по отношению к водопроводной воде при t = 20 °С; Cp — растворимость кислорода в воде в зависимости от высоты столба сточной воды над. аэратором, мг/л; С — допустимая минимальная концентрация кислорода в сточной воде, которая не лимитирует скорости окислительного процесса, мг/л.
За счет интенсивной рециркуляции и засасывания воздуха в воду механические аэраторы насыщают жидкость кислородом. В зависимости от принципа действия и конструкции механические аэраторы разделяются на поверхностные и погружные (всасывающие и пневмомеханические).
Поверхностные — дисковые и конусные — аэраторы представляют собой лопастные турбины диаметром 0,5…4 м с вертикальным валом, которые приводятся во вращение двигателями-редукторами (рис. 5.2).
Рис. 5.2. Механический поверхностный аэратор дискового типа:
1 — вал; 2 — лопасти аэратора; 3 — направляющий аппарат для циркуляции.
При работе аэратора жидкость засасывается снизу, приводится во вращение и отбрасывается к периферии. В результате гидравлического прыжка захватывается и диспергируется атмосферный воздух. Основными показателями, характеризующими механические аэраторы, являются окислительная способность (ОС) и удельные затраты Э.
Расчет аэратора производится по формуле
где vд — минимальная донная скорость потока в, аэрируемом резервуаре, м/с; Dт — диаметр турбины, м; N — частота ее вращения, с-1; Н — глубина резервуара, м; В — длина зоны действия одного аэратора, м.
При выборе механических аэраторов следует исходить из их производительности по кислороду, определенной при 20 °С. При отсутствии растворенного кислорода в воде скорости потребления кислорода и массообменных свойств жидкости характеризуются коэффициентами п1, n2 и дефицитом кислорода (Ср - С)/Ср.
Число аэраторов μ для аэротенков и биологических прудов рассчитывают по формуле
,
где V — объем сооружения, м3; W — производительность аэраторов по кислороду, кг/с (принимается по паспорту); — продолжительность пребывания жидкости в сооружении, ч.
Окислительная способность ОС аэратора зависит от многих факторов и может быть определена расчетным путем. Ориентировочно можно принять, что дисковые аэраторы диаметрами 0,5; 1 и 3 м имеют ОС, равную соответственно 80, 230 и 1860 кг/сут.
Существуют также струйные аэраторы, обеспечивающие диспергирование атмосферного воздуха путем эжектирования его напорной струёй аэрируемой жидкости, которая подается к аэраторам предусмотренными для этих целей циркуляционными насосами. Применяют два типа струйных аэраторов — шахтный и эжекторный. По производительности и энергетическим показателям шахтные аэраторы превосходят эжекторные, но последние более компактны.
Имеются и другие конструкции эрлифтных аэраторов.
Аэротенки-вытеснители коридорного типа (рис. 5.3) применяют при начальной БПКполн не более 500 мг/л. Ширина коридоров принята 4,5; 6 или 9 м, шаг длины коридора равен 6 м.
Рис. 5.3. Типовой четырехкоридорный (I—IV) аэротенк:
1 — воздуховод; 2 — средний канал; 3 — щитовой затвор; 4 — верхний канал осветленной воды; 5, 6 — соответственно воздушные и водовыбросные стояки; 7 — скользящая опора; 8 — труба Вентури; 9 — трубопровод циркулирующего активного ила; 10 — распределительный канал вторичных отстойников; 11 — нижний канал осветленной воды; 12, 13 — воздуховод соответственно на канале и секции.
В качестве аэраторов использованы фильтросные трубы. Площадь аэрируемой зоны составляет 50 % общей площади аэротенка. Рабочая глубина аэротенка 5 м, ширина коридора 6 м, число коридоров 3, длина аэротенка 36…66 м с длиной вставки 6 м.
Аэротенки-смесители рекомендуется применять для сточных вод с высокой начальной БПК, а также при резких колебаниях состава воды. Практически все аэротенки небольшого размера с механическими аэраторами относятся к типу аэротенков-смесителей. Наибольшее распространение получили аэротенки-смесители, совмещенные со вторичными отстойниками. Конструкций таких аэротенков предложено много, некоторые из них показаны на рис. 5.4.
Рис. 5.4. Аэротенки-отстойники с механической системой аэрации:
а, г, д — установки с центрально расположенной зоной аэрации; б — установка большой производительности с удалением осадка скребками; в — установка со смежным расположением зон аэрации и отстаивания; е — установка МИСИ;
1 — подача сточной воды; 2 — стабилизатор потока; 3 — механический аэратор поверхностного типа: 4 — зона аэрации; 5 — отделение дегазирования ила; 6 — зона отстаивания; 7 — зона уплотнения ила; 8 — выпуск обработанной сточной воды; 9 — выпуск избыточного ила; 10 — дополнительный заглубленный ротор.
Для очистки сточных вод, содержащих примеси, окисляющиеся с заметно разной скоростью, эффективно применение двухступенчатых аэротенков. Создание активного ила, хорошо адаптированного к определенным веществам, в каждой ступени аэротенков повышает общую пропускную способность системы на 15…20 %. Схемы двухступенчатых аэротенков могут включать как аэротенки-вытеснители, так и аэротенки-смесители. Аэротенки могут быть с регенераторами и без них. Чаще регенератор, вводят только в I ступень.
Аэротенки с заполнителями. С целью повышения общей концентрации ила в аэротенк помещают биологически инертную массу, которая обрастает биопленкой. Одним из вариантов такого устройства является аэротенк, в который помещается поролон в виде мелких кусков неправильной формы. После обрастания биопленкой поролон становится тяжелее воды и поддерживается во взвешенном состоянии продувкой смеси. На выходе из аэротенка устраивается сетка, задерживающая наполнитель.
В настоящее время существует несколько разновидностей аэротенков с заполнителями (называемых также и биотенками). Они успешно применяются для очистки фенолсодержащих сточных вод. Общая окислительная мощность аэротенков с заполнителями выше, чем у обычного аэротенка, вследствие, увеличенной концентрации ила, но удельная скорость окисления, отнесенная к 1 г ила, такая же, как и в других аэротенках.
Биотенки-биофильтры. Эти сооружения (рис. 5.5) состоят из корпуса и расположенных внутри него друг над другом в шахматном порядке лотковых элементов. Обрабатываемая сточная вода поступает в верхнюю часть биотенка и, заполнив расположенные выше емкости, стекает вниз. При этом сточной водой омываются наружные части элементов, на которых образуется биопленка. Образующаяся в самих элементах биомасса активного ила перемешивается и насыщается кислородом вследствие движения обрабатываемой сточной воды. Биотенк в совокупности с биофильтром обеспечивает высокую степень очистки (до БПК5 порядка 30 мг/л) при нагрузке по БПК5 примерно 1,5 кг/(м3.сут).
Рис. 5.5. Схема биотенка:
1 — корпус; 2 — элементы загрузки.
Расчет аэротенков. Задача технологического расчета аэротенков — определение основных параметров системы (продолжительность аэрации, расход воздуха и прирост ила), по которым устанавливаются размеры, конструкции и оборудование сооружений.
Период аэрации , ч, в аэротенках-смесителях, определяется по формуле
, (5.1)
где V – объем аэротенка-вытеснителя; Q – расход сточной воды, подаваемой на сооружение; s — зольность ила, доли единицы; — скорость окисления загрязнений, мг БПКполн на 1 г беззольного вещества ила в 1 ч; а 2…5 кг/м3 – доза (концентрация) активного ила (по сухой его части) в аэротенке.